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GaN衬底材料相关技术研究

李永安  
【摘要】:以GaN为代表的Ⅲ-V族宽禁带半导体材料由于其优良的物理和化学特性成为当前半导体领域内的研究热点。虽然GaN性质优异,但一直饱受缺少相匹配的衬底材料以及位错密度大等问题的制约。目前,主要有两个方向来制备GaN衬底材料:GaN体单晶制备方法,HVPE等异质外延制备GaN厚膜+衬底剥离方法。HVPE生长技术由于具有生长速度快和生长均匀等特点,可以很容易的制得大面积GaN厚膜,并且HVPE技术具有设备简单成本低的优势,所以HVPE已经成为制备GaN厚膜的主流技术。本文围绕获得大尺寸高质量GaN衬底材料的目标进行了相关技术研究,包括用于自剥离的GaN纳米孔洞模板的制备、HVPE外延生长和GaN衬底材料的机械减薄和化学机械抛光等。主要的研究内容和结论如下:1.研究了n型GaN电化学腐蚀的选择性腐蚀规律。研究发现对相同硅掺杂浓度的n型GaN,在一定的外加偏压条件下会出现均匀的孔洞结构;随着外加偏压的升高,孔尺寸增大,孔密度增加。当电压过大时,会出现过腐蚀,孔状结构消失。研究还发现在相同外加偏压条件下,n型GaN硅掺杂浓度的变化会形成具有不同孔洞率和孔密度等的结构。随着掺杂浓度的增加,孔洞率和孔密度都会增加。2.研究了GaN材料的光助电化学腐蚀。研究发现紫外光可以在相同条件加剧n型GaN的电化学腐蚀。当从样品背面照射紫外光线时,光助电化学腐蚀还会对蓝宝石与UID GaN层界面处未掺杂的GaN进行腐蚀,形成大面积的孔洞结构。这有利于我们发展GaN/蓝宝石自剥离技术。3.利用上述电化学和光助电化学腐蚀的特性,对掺杂浓度不同的双层Si掺杂GaN样品进行电化学腐蚀和光助电化学腐蚀,得到了多种形貌的多孔状GaN模板。研究发现,多孔状模板PL本征峰发光强度增加,黄光带的发光强度也相应增加。对腐蚀前后的样品进行拉曼图谱测试研究了样品的结构和应力情况,发现样品的E2峰位相对红移了1.5个波数,表明化学腐蚀释放了部分压应力。经过计算可知释放的应力大小为0.12GPa。腐蚀前后的X射线摇摆曲线的半高宽没有明显变化,说明腐蚀不会对样品晶体质量产生明显影响。4.利用上面制备的多种形貌的多孔状GaN模板,使用MOCVD在这些模板上外延生长了5μ m厚的GaN外延薄膜。由于外延生长下的高温条件以及表面能最小化的驱动使得腐蚀完的样品在外延生长过程中形态发生了明显变化。原来的树枝状的孔洞结构相互融合形成大的洞穴结构,部分样品如双层样品以及加了光电化学腐蚀的样品出现了中空结构。最终使用外力部分剥离上层的GaN外延层。使用该方法可以进一步HVPE外延生长GaN厚膜可以获得大尺寸的自剥离GaN衬底。5.研究了改善化学机械抛光得到高表面精度、高平整度的GaN和蓝宝石晶片表面等的工艺方法。研究了机械减薄抛光工艺中,样品的厚度均匀性的变化。为了减小自支撑GaN衬底材料在整个化学机械抛光过程中厚度的非均匀性,设计发展了利用蓝宝石作为辅片的方法,利用蓝宝石厚度均匀的特性改善了GaN衬底样品厚度不均匀造成的抛光过程中的取向偏差。对HVPE生长的GaN厚膜进行了化学机械抛光。抛光后的样品表面没有明显的划痕和划伤等缺陷,样品整体晶体表面质量较好。6.研究了利用多片立式HVPE生长系统进行HVPE-GaN模板生长的工艺,并研究了同时生长的多片样品厚度均匀性。厚度测试结果表明,采用3片/6片生长,厚度不均匀性均低于5%。厚度为20um时,片间厚度偏差约为4%;厚度为35um时,片间厚度偏差约为4.29%。证明该多片HVPE设备具有较好的气流分布,生长的GaN样品厚度均匀。


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